Редактирование генома и клонирование человека (лекция)

В Москве при поддержке Фонда Росконгресс и телеканала "Доктор" 4-5 октября прошел X форум VESTIFINANCE, который продолжил серию выступлений известных российских экспертов на тему "Следующие 20 лет". Юбилейный Форум был посвящен одной из самых значимых для каждого человека тем – здоровью и развитию медицины будущего. Заведующий лабораторией редактирования генома ФГБУ им. В.И. Кулакова Денис Ребриков рассказал как происходит процесс редактирования генома для лечения или восстановления ген, мутация которых вызвана онкологией или вирусными заболеваниями, а также поведал, почему клонирование - лучший способ размножения человека. Изменения в ДНК научились вносить уже довольно давно - первые системы направленного изменения генома возникли в середине 70-х годов прошлого века. Они были основаны на принципе гомологичной рекомбинации. Это естественный внутриклеточный процесс, за счёт которого клетки перетасовывают генетическую информацию, чтобы создавать новые варианты и генетики, и фенотипов. Учёные научились использовать этот процесс, чтобы что-то добавлять в ДНК или что-то вырезать из ДНК достаточно прицельно. Чуть позднее возникли системы сайт-специфичной рекомбинации. Это немножко другой механизм, когда специально придуманный фермент находит нужную последовательность и там вносит разрез. И наконец, с 90-ых годов активно стали развиваться ферменты, которые разрезают ДНК там, где нужно. Их прямо так и назвали - «дизайнерские нуклеазы». Можно заставить фермент узнавать определённый, конкретный мотив в последовательности ДНК. Самый известная дизайнерская нуклеаза - это система CRISPR/Cas9, которая в 15-ом году по версии журнала «Science» была призвана прорывом года. И это оправдано, так как сегодня мы видим, как очень активно, бурно расширяется спектр применений этой технологии. Какую бы дизайнерскую нуклеазу мы не взяли, они узнают нужную последовательность и вносят двуцепочный разрыв. Если просто внесли разрез и оставили, то внутри клетки любой разрыв ДНК должен быть «зашит». Клетка не допускает просто разрыва в ДНК, иначе это будет поломка хромосомы и такая клетка не сможет поделиться, поэтому приходят специальные ферменты для починки ДНК и пытаются залечить этот разрыв каким-то способом. Если они его зашивают просто стык в стык, то, чаще всего, они сшивают ДНК не точно, не так как было. И это приводит к нарушению работы гена. Получается, таким способом можно выключать определённые гены и смотреть, что при этом происходит с организмом. Например, на мышках можно сделать вышибание гена, чтобы посмотреть, какую функцию выполняет этот ген в организме животного. Если при этом встроить кусочек ДНК, который соответствует разрыву, но при этом несёт немножко другую последовательность, то система репарации будет использовать этот кусочек как заплатку. Этот механизм позволяет направленно изменить определённые участки ДНК, внеся туда какое-то изменение. Например, можно исправить какую-то мутацию – неправильный нуклеотид изменить на правильный. А если в заплатку вставить длинный, протяжённый фрагмент ДНК, то этот фрагмент также может быть встроен в геном, и таким способом можно добавить в геном новый ген. Это используется при создании трансгенных или генно-модифицированных животных, растений, когда из другого организма или придуманную последовательность можем прицельно встроить в геном, туда, куда бы мы хотели. Вот, по сути, всё разнообразие манипуляций с ДНК любого организма такими вариантами исчерпывается. Если мы говорим про здоровье человека, то с помощью генного редактирования можно попробовать, например, лечить вирусные заболевания, в частности, ВИЧ. Почему сейчас проблемно полностью излечить человека от ВИЧ. Можно убрать симптоматику, и даже убрать вирус из крови, но вирус встраивается в нашу ДНК и мимикрирует под наш геном. Его не получается обнаружить. Вирус встроился, но иммунная система организма его не отличает от нашей ДНК, поэтому он может там сидеть бесконечно долго. Один из способов убрать его из генома - попробовать «ножничками» очень аккуратно, по концам, где он встроился, его вырезать, убрать и зашить. Это тот подход, который пытаются сегодня отрабатывать. Тоже самое с онкологическими заболеваниями. В чём проблема развития опухоли? Опухоль – это асоциальный элемент в нашем организме. Клетки опухоли начинают жить самостоятельно, не реагируя на сигналы нашего организма. Так произошло, потому что некоторые гены, назовем их условно «гены послушности», в клетке поломались. Зная об этих поломках, можно было бы их починить в клетках опухоли, вернув ей «послушность» и скорее всего, в этом случае она уйдет в апоптоз. Такие препараты пытаются сегодня разрабатывать. Моногенные заболевания – это заболевания, связанные с поломкой какого-то конкретного гена и сегодня известно около 7 000 моногенных заболеваний. Они все очень редкие. Но если их сложить все вместе, то оказывается, что примерно, каждый сотый ребёнок рождается с моногенным заболеванием. Это около 1%. Это уже довольно много. Сегодня мы имеем несколько геннотерапевтических стратегий лечения моногенных заболеваний. Например, доставка целого, работающего гена с помощью вирусов. Мы встраиваем «хороший» ген в вирусную конструкцию, добавляем в организм, вирус встраивает эту ДНК в клетку и ген начинает работать, тем самым, компенсируя функцию. Другой подход - попробовать починить прямо в ДНК клеток. То есть добавить некую конструкцию CRISPR/Cas, которая войдет в клетки и починит в этих клетках поломку у уже живущего ребёнка. Также можно попробовать чинить какие-то вариации, которые не являются прямой сцепкой с заболеванием. Они называются в медицине предрасположенностью. Проанализировав геном, мы можем попробовать предсказать, что у этого человека система, отвечающая за функционирование сердечно-сосудистой системы или мозга, слабая и, возможно, с возрастом она выйдет из строя первой. Потому что такое сочетание вариантов генов. Можно попробовать починить, тем самым, отложив выход из строя какой-то системы органов. Второй большой блок, это для планируемых детей, для будущих. Здесь мы тоже могли бы пробовать чинить предрасположенности. И возможно, в каком-то далеком будущем, мы можем пофантазировать и сказать, что, если эта технология станет совсем ходовой, распространённой, проверенной, безопасной, рутинной, то мы могли бы исправлять какие-то особенности строения. Например, запрограммировать будущему ребенку какой-то цвет волос, глаз и т.д. Каким образом мы можем исправлять что-то в ДНК будущих детей, которых пока еще нет? Мы должны сначала понять, что хотим поменять, затем мы создаем специальную конструкцию из направляющего фермента и ДНК заплатки, и ввести эту конструкцию на стадии первой клетки организма. Это зигота – первая диплоидная клетка, имеющая два набора хромосом. Один набор от папы, второй от мамы. В эту зиготу вводится препарат, и еще до ещё первого деления эта система вносит определенные изменения в ДНК. После чего начинает развиваться эмбрион и на какой-то ранней стадии берется небольшой фрагмент клеток в лабораторию генетическую на анализ, чтобы убедиться, что внесенные изменения действительно произошли там, где нужно и не произошли там, где не нужно. Это всё мы можем сделать на этапе анализа биоптата эмбриона. Эта биопсия не наносит какого-то ущерба, и эмбрион можно до анализа заморозить. Процесс называется витрификация - очень быстрое замораживание в азоте, после чего эмбрион можно хранить, в общем то вечно. То есть, по сути, машину времени уже придумали, но пока только для эмбрионов. После того как мы провели полный анализ генома и убедились, что всё хорошо, мы можем перенести это маме. Ну и дальше родится обычный ребёнок. Первые дети с измененной ДНК были рождены в конце прошлого года в Китае. Исследователь как раз вносил изменения в ген, который является рецептором на поверхности клетки, к которому прикрепляется вирус иммунодефицита человека. То есть, вирус цепляется за этот рецептор, чтобы прикрепиться и проникнуть внутрь. Китайский исследователь решил, что, если мы этот рецептор уберём, то вирусу будет не за что цепляться, и таким образом, дети будут ВИЧ устойчивы от рождения. Конечно, он выбрал очень неподходящий клинический случай, когда в семье папа был ВИЧ-положительным, а мама ВИЧ-отрицательной, то есть, у неё не было вируса. В этой ситуации совершенно не требуется никаких геномных изменений чтобы защитить детей от вируса. В рамках процедуры экстракорпорального оплодотворения можно определенным образом отмыть сперматозоид, взять его иголочкой, ввести в яйцеклетку. Эта процедура называется ИКСИ. Китайский исследователь также сделал неестественную модификацию генома. Дело в том, что на севере Европы в популяции присутствует около 1% людей, у которых на поверхности клеток хемокиновый рецептор, за который цепляется вирус, эволюционно изменён, имеет немножко другую структуру. Из-за него вирус цепляется плохо, почти не цепляется. Получается, что такие люди действительно ВИЧ-резистентные. То есть, они не могут заболеть СПИДом, потому что их клетки устойчивы к проникновению вируса. Китайский исследователь не сделал такую модификацию как у североевропейцев, а просто вырезал большой кусок, что не совсем корректно. Гораздо лучше было бы использовать естественный вариант. Ну и главное, что он не доказал безопасности этой процедуры до того, как стал использовать. То есть, нет никаких принятых общественностью научных работ, где было бы доказано, что ничего больше его система внесения изменений не затрагивает, только этот маленький фрагмент генома. Но свою задачу, локально, он выполнил- стал первым, кто такое изменение ввёл. В России годом раньше, чем китайский исследователь объявил о рождении детей, стали заниматься точно таким же вопросом. Потому что, оказывается, что крайне мало ситуаций, где клиническое применение генного редактирования на уровне эмбриона могло бы быть оправдано. И вот этот кейс действительно один из потенциально возможных вариантов применения. Конечно, самый главный вопрос в том, можем ли мы подобные системы вообще применять на практике? Насколько они не вносят никаких других изменений вне зоны воздействия в нашем гигантском геноме? Чтобы ответить на этот вопрос, напомним, что длина генома человека чуть более 3 млрд нуклеотидов. А мы меняем 32 нуклеотида. Вот представьте себе, какая должна быть точность - найти это место, вырезать 32 нуклеотида, больше ничего не затронуть. Поэтому сегодня, для того, чтобы эта технология могла выйти в практику, все задаются вопросом: как доказать безопасность генного редактирования на уровне эмбриона? И по сути, единственным корректным вариантом является проверка на полностью отсеквенированных донорах гамет. Для того чтобы, доказать, что ничего не поменялось в генетическом коде, надо иметь исходник. Сравнить с каким-то образцом в базе данных генотипов не получится, так как люди значительно отличаются по последовательности ДНК. Для проверки должна использоваться коллекция гамет от доноров с известным геномом. Мы провели редактирование 14-и эмбрионов от доноров с полностью отсеквенированным геномом, получили 6 экспериментальных и 2 контрольных, в контрольных мы ничего не меняли, и полностью отсеквеннировали 3 эмбриона. Соответственно, 2 экспериментальных отредактированных и один контрольный. После чего, мы сравнили геном этих эмбрионов с исходниками, которые у нас есть, и получили, что мы не видим биоинформатически никаких позиций в ДНК, которые мы могли бы отнести за счет нашего воздействия. То есть, все отличия, которые мы наблюдаем, это отличия, возникшие естественным путем. Прохождении через гаметогенез наши гаметы немножко отличаются от нашей ДНК. Считается, что примерно 100 новых позиций SNP (Single-nucleotide polymorphism) возникает в ДНК гамет по отношению к нашей ДНК. И это, естественный, эволюционный процесс. Когда мы сравнивали геном доноров с геномом этих эмбрионов, то мы увидели эти отличия, но наши биоинформатики придумали такой алгоритм, который дискриминирует естественные изменения от изменений, которые могли бы быть внесены нашей системой. Таким образом, где же оправдано применение подобных систем генного редактирования? Первый пример – это ВИЧ-положительные женщины, которые не поддаются антиретровирусной терапию. Их всего на страну несколько десятков, крайне мало. Второй вариант - пара семейная, где у мужчины и женщины нарушен один и тот же ген, причём, в обеих копиях. Напомню, что, если у нас ген нарушен в одной копии, то организм здоров. Если из двух копий нарушена одна, ничего страшного. Ребёнок с наследственным заболеванием родится только в том случае, если у двух супругов совпадет эта поломка, и то - вероятность будет четверть, не 100%. А есть пары, у которых все аллели поломаны. Это означает, что все дети у них будут с поломанным геном. Но таких пар семейных крайне мало. Мы видим определённое обогащение частоты таких пар в некоторых когортах, в некоторых субкультурах. Например, у глухих. Глухие чаще образует семейные пары с глухими. Существенный процент глухоты является наследственным, и связан с поломкой конкретного гена. То есть, за счёт того, что они находят друг друга в популяции, и хотят образовать семью вместе, они повышают риск рождения у них больного ребёнка. Где бы мы могли говорить о том, что нужно применять геномное редактирование на уровне эмбриона? Это конкретные моногенные заболевания - повышенный риск онкологии, повышенный риск нейродегенеративных заболеваний, сердечно-сосудистых заболеваний и так далее. Ну и наверное, в каком-то далеком будущем, может быть, мы могли бы менять какие-то внешние данные, которые не связаны никак вообще со здоровьем, с качеством жизни. Как устроена технология клонирования взрослых млекопитающих? Её можно назвать «Перезагрузка хроматина». Дело в том, что, когда наша клетка развивается, делится, то она дифференцируется в определенный тип ткани. Например, кожа, мышцы, клетки печени, почек. У нас сотни типов клеток, и каждая клетка знает, что она клетка кожи, например. Потому что у неё гены определённым образом зарегулированы внутри ядра. Генов у неё столько же, сколько у других клеток. То есть, гены не меняются, но они определенным образом настроены, и поэтому она клетка кожи, а не клетка мышц. Ученые в какой-то момент научились обнулять настройки внутри клетки. Мы берем любую клетку организма и сбрасываем её настройки. У неё «заводские» настройки устроены так, что она начинает развиваться в целый организм. Берется донорский ооцит, у него убирают ядро, а из соматической клетки ядро пересаживают в цитоплазму этого донорского ооцита. И вот эти факторы из цитоплазмы проводят это переформатирование хроматина. После чего эта клетка начинает развиваться и даёт нам целое животное. Технология клонирования на сегодня используются в промышленности массово, являясь одним из способов воспроизводства ценных сельскохозяйственных животных или ценных животных с какими-то нужными свойствами, например, служебных собак. В сельском хозяйстве фермеры очень хотят, чтобы были одинаковые животные, что по мясу, что по молоку. Конечно хотят, чтобы были рекордсмены, но как ни странно, параметр одинаковости тоже очень важен для технологичности производства. Почему клонирование безусловно лучший способ размножения человека? Мы получаем заранее известный результат. То есть, когда мы размножаемся естественным путем, скрещиванием, - вообще ничего неизвестно, это некая лотерея. При условии абсолютно идентичной генетики в тех редких случаях, когда нужно донорство крови, этот ребенок может вам дать вашу собственную кровь. С его согласия, конечно. А если совместить редактирование и клонирование, то получается идеальный цикл – можно изменить те нюансы, про которые знаем. По законодательству во многих государствах использование генных технологий уже запрещено. Но как правило, законодатели констатирует, что они готовы рассмотреть вопрос о клонировании после детального рассмотрения механизмов взаимодействия ДНК и цитоплазмы. Некоторые политические деятели у нас публично выражают сожаление по поводу продления запрета на клонирование.